Conception et exploitation d'une structure active pour une aile laminaire adaptative expérimentale

• Main Author: Coutu, Daniel
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2010
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/633/9/COUTU_Daniel.pdf; http://espace.etsmtl.ca/633/10/COUTU_Daniel%2Dweb.pdf

Cette thèse a contribué au succès du projet CRIAQ 7.1 démontrant la faisabilité d’une aile laminaire adaptative capable de réduire la consommation de carburant des avions. En particulier, les travaux de recherche ont permis la conception de l’aile expérimentale et son exploitation en soufflerie subsonique (nombres de Mach compris entre 0.2 et 0.3 avec des angles d’attaques compris entre -1 et 2º). Tout d’abord, le principe d’adaptation de l’aile repose sur un laminé en matériau composite lié à un système d’actionnement permettant la modification géométrique de la surface supérieure de l’aile. Cette structure active fut conçue à l’aide d’une méthodologie de design spécialement développée pour les problèmes aéro-structuraux. Sous ANSYS, la méthode des éléments finis permit de modéliser les différentes configurations potentielles de structures actives. Le chargement aérodynamique appliqué de même que les profils cibles à reproduire ont été fournis par les collaborateurs de l’École Polytechnique de Montréal. Ensuite, le solveur aérodynamique XFoil 6.96 a été employé pour évaluer l’augmentation du régime d’écoulement laminaire que chacune des configurations permettraient. Afin de poser le meilleur compromis entre la performance aérodynamique et l’énergie d’actionnement nécessaire, une optimisation multi-objective a été réalisée. Finalement, parmi les configurations offrant une performance aérodynamique stable, la structure composite constituée de 4-pli de renfort et de 2 lignes d’action a été retenue. Par la suite, les travaux de recherche ont visé à exploiter le comportement adaptatif de l’aile, à savoir déterminer les courses optimales des actionneurs pour différentes conditions de vol testées. Ainsi, une fois le prototype fabriqué, le modèle structural a été revu, calibré et couplé au solveur aérodynamique afin de prédire avec précision le comportement aéro-structural en soufflerie. À l’aide d’un algorithme de recherche par motifs généralisés suivi d’un code pour raffiner la solution, les meilleurs profils adaptés ont été déterminés pour chacune des conditions d’écoulement. Ces efforts permirent de maintenir l’écoulement laminaire sur l’extrados à une distance supplémentaire moyenne de 25% de la corde de l’aile. Conséquemment, une réduction moyenne de 18.5% de la traînée de profil a pu être observée. Malgré ces résultats satisfaisants, les limitations du modèle couplé ont été décelées lors de la comparaison des prédictions numériques avec la réponse expérimentale de l’aile en soufflerie. Pour cette raison, l’optimisation de la forme adaptée a été réalisée en temps réel (contrôle en boucle fermée) afin d’exploiter le plein potentiel de l’aile. Pour ce faire, la balance de la soufflerie a été employée afin de fournir instantanément une mesure de la finesse de l’aile à l’optimiseur. Afin de minimiser le temps de recherche, l’algorithme d’optimisation spécialement conçu pour cette application commande des trajectoires de recherche minimisant les allers-retours des actionneurs. Aussi, pour accélérer la recherche, les prédictions du modèle couplé (boucle de contrôle ouverte) sont utilisées en tant que formes adaptées initiales. Ainsi, en comparaison avec l’approche en boucle ouverte, l’amélioration de la finesse de l’aile mesurée à la balance passa de 11 à 12.2% en moyenne. Également, pas plus de 4 minutes supplémentaires ont été nécessaires pour la convergence vers le profil optimisé en temps réel, ce qui est acceptable pour la durée d’un vol de croisière. Finalement, pour le bénéfice du projet CRIAQ 7.1, la réciprocité de la relation entre la finesse de l’aile et l’augmentation de l’étendue de l’écoulement laminaire a pu être confirmée expérimentalement à l’aide de mesures infrarouges réalisées par l’équipe du CNRC-IRA.